響應(yīng)面法優(yōu)化核桃油復(fù)合抗氧化劑的研究

盧付青，游敬剛，潘紅梅，吳 斌，唐蜀智，李益恩，黃 靜，鄧 楷，羅 丹

(1.四川省食品發(fā)酵工業(yè)研究設(shè)計(jì)院，成都 611130； 2.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，成都 610081；3.綿陽(yáng)德生皇食品有限責(zé)任公司，四川 綿陽(yáng) 621000)

核桃油含有高達(dá)90%左右的不飽和脂肪酸，有利于降低人體膽固醇和防止動(dòng)脈硬化，其含有的亞油酸是人體必需脂肪酸，具有多種保健功能。然而，由于核桃油富含不飽和脂肪酸，其在加工儲(chǔ)存過(guò)程中易發(fā)生氧化酸敗，嚴(yán)重影響其食用品質(zhì)，并降低儲(chǔ)存期。

抗氧化劑廣泛用于油脂行業(yè)以延長(zhǎng)油脂保質(zhì)期。李書(shū)國(guó)等[1]研究發(fā)現(xiàn)特丁基對(duì)苯二酚(TBHQ)、沒(méi)食子酸丙酯(PG)、2,6-二叔丁基對(duì)甲苯酚(BHT)均可不同程度地延長(zhǎng)核桃油的貨架期。牛艷等[2]研究發(fā)現(xiàn)，空氣、水分和光照等因素對(duì)亞麻籽油的過(guò)氧化值產(chǎn)生較大影響，而抑制亞麻籽油氧化最常用的方法是添加抗氧化劑。陳杰等[3]利用Schaal烘箱法研究抗氧化劑對(duì)亞麻籽油貨架期的影響，得出TBHQ可延長(zhǎng)亞麻籽油貨架期12個(gè)月。采用響應(yīng)面分析法篩選核桃油最優(yōu)復(fù)配抗氧化劑和增效劑的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本文主要以抗氧化劑TBHQ、丁基羥基茴香醚(BHA)和BHT及增效劑檸檬酸、抗壞血酸為研究對(duì)象，通過(guò)單一和復(fù)配試驗(yàn)、響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，以過(guò)氧化值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，篩選出核桃油最優(yōu)抗氧化劑，以期為工業(yè)化生產(chǎn)中延長(zhǎng)核桃油貨架期提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

核桃油,綿陽(yáng)德生皇食品有限責(zé)任公司；TBHQ、BHT、BHA、檸檬酸、抗壞血酸(食品級(jí))均為市售。

冰乙酸、三氯甲烷、碘化鉀、硫代硫酸鈉、石油醚(沸程30～60℃)、可溶性淀粉均為分析純；重鉻酸鉀為工作基準(zhǔn)試劑,成都科龍化學(xué)試劑廠(chǎng)。

FA2004N電子天平，DHG-9240智能型恒溫鼓風(fēng)干燥箱。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 加速氧化試驗(yàn)

采用Schaal烘箱法[4-5]。將核桃油樣品盛放于廣口瓶中，在60℃恒溫烘箱中加熱以加速氧化，每隔24 h測(cè)其過(guò)氧化值，直至超過(guò)核桃油國(guó)標(biāo)(GB/T 22327—2008)限值6 mmol/kg。

1.2.2 單一和復(fù)合抗氧化劑試驗(yàn)

將0.02%TBHQ、0.02%BHT、0.02%BHA和總量不超過(guò)0.02%TBHQ、BHT、BHA任意組合，分別加入200 g核桃油中溶解，以未添加抗氧化劑的油樣作空白對(duì)照，按1.2.1方法進(jìn)行加速氧化試驗(yàn)，研究單一和復(fù)合抗氧化劑對(duì)核桃油的抗氧化效果，以篩選最優(yōu)抗氧化劑。

1.2.3 最優(yōu)抗氧化劑與增效劑復(fù)配試驗(yàn)

將1.2.2篩選的最優(yōu)復(fù)合抗氧化劑分別與檸檬酸、抗壞血酸復(fù)配使用，以未添加增效劑的油樣為對(duì)照，按1.2.1方法進(jìn)行加速氧化試驗(yàn)。研究復(fù)合抗氧化劑與增效劑復(fù)配對(duì)核桃油的抗氧化效果。

1.2.4 過(guò)氧化值測(cè)定

按照GB 5009.227—2016中第一法(滴定法)進(jìn)行測(cè)定。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)，測(cè)定結(jié)果表示為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。采用Excel，Design-Expert 8.0.7和SPSS21.0等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單一和復(fù)合抗氧化劑試驗(yàn)

2.1.1 單一抗氧化劑試驗(yàn)(見(jiàn)圖1)

圖1 單一抗氧化劑對(duì)核桃油過(guò)氧化值的影響

由圖1可知，隨加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，核桃油過(guò)氧化值均逐漸升高，3種抗氧化劑對(duì)核桃油的抗氧化效果不同?？瞻讓?duì)照的過(guò)氧化值變化較明顯，在24 h時(shí)即超過(guò)壓榨核桃油國(guó)標(biāo)限值6 mmol/kg。添加抗氧化劑的核桃油過(guò)氧化值上升趨勢(shì)有所減緩，其中添加0.02% TBHQ的核桃油在60℃恒溫加熱96 h才超過(guò)6 mmol/kg，添加0.02% BHT、0.02% BHA的核桃油均在48 h達(dá)到6 mmol/kg。3種抗氧化劑抗氧化效果強(qiáng)弱依次為T(mén)BHQ>BHT>BHA。

TBHQ與維生素E類(lèi)似，均供氫形成穩(wěn)定自由基，從而終止自由基鏈反應(yīng)。BHA和BHT等酚型抗氧化劑可與油脂氧化產(chǎn)生的過(guò)氧化物結(jié)合，中斷自動(dòng)氧化反應(yīng)鏈，阻止氧化[6]。

2.1.2 復(fù)合抗氧化劑試驗(yàn)(見(jiàn)圖2)

圖2 復(fù)合抗氧化劑對(duì)核桃油過(guò)氧化值的影響

對(duì)食用油而言，單一的抗氧化劑可能難以達(dá)到最佳抗氧化效果，復(fù)合使用抗氧化劑可提高食用油氧化穩(wěn)定性。由圖2可知，在復(fù)合抗氧化劑總量不超過(guò)0.02%條件下，核桃油過(guò)氧化值隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)均逐漸升高?？瞻讓?duì)照的過(guò)氧化值在24 h時(shí)已超過(guò)6 mmol/kg，變化顯著。添加不同復(fù)合抗氧化劑的過(guò)氧化值顯著低于空白對(duì)照的，其中添加0.01%TBHQ+0.01%BHT的核桃油超過(guò)192 h過(guò)氧化值才高于6 mmol/kg。與圖1相比，復(fù)合抗氧化劑的效果優(yōu)于單一抗氧化劑，這是因?yàn)楦鞣N抗氧化劑在發(fā)揮協(xié)同抗氧化作用時(shí)，產(chǎn)生的游離基也會(huì)生成新的酚類(lèi)化合物，繼續(xù)發(fā)揮抗氧化作用，從而增強(qiáng)其抗氧化性[7-8]。

通過(guò)單一和復(fù)合抗氧化劑的抗氧化加速試驗(yàn)，選擇復(fù)合抗氧化劑0.01%TBHQ+0.01%BHT作為最優(yōu)抗氧化劑，與增效劑進(jìn)行復(fù)配試驗(yàn)。

2.2 最優(yōu)抗氧化劑與增效劑復(fù)配(見(jiàn)圖3、圖4)

圖3 復(fù)合抗氧化劑與檸檬酸復(fù)配對(duì)核桃油 過(guò)氧化值的影響

圖4 復(fù)合抗氧化劑與抗壞血酸復(fù)配對(duì)核桃油 過(guò)氧化值的影響

常用的增效劑有檸檬酸、抗壞血酸、異抗壞血酸、植酸、磷酸、乙二胺四乙酸(EDTA)等。由圖3和圖4可知，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，添加不同量檸檬酸、抗壞血酸的核桃油過(guò)氧化值均逐漸升高?？瞻讓?duì)照的過(guò)氧化值在192 h時(shí)超過(guò)6 mmol/kg，而添加檸檬酸、抗壞血酸的核桃油過(guò)氧化值達(dá)到6 mmol/kg的加熱時(shí)間有不同程度的延長(zhǎng)。其中添加0.010%檸檬酸的核桃油在312 h超過(guò)6 mmol/kg，添加0.010%和0.012%抗壞血酸的核桃油過(guò)氧化值差異不明顯，超過(guò)288 h達(dá)到6 mmol/kg。

核桃油中的Cu2+、Fe2+、Mn2+、Ni2+等金屬離子能催化油脂氧化，縮短氧化誘導(dǎo)期，提高過(guò)氧化物的分解速度和自由基的產(chǎn)生速度，并使抗氧化劑迅速發(fā)生氧化而失去作用。而加入的檸檬酸、 抗壞血酸等絡(luò)合了這些金屬離子，使抗氧化劑抗氧化活性再生，從而發(fā)揮其抗氧化增效作用，延長(zhǎng)油脂的儲(chǔ)藏期[8]。

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

2.3.1 響應(yīng)面試驗(yàn)回歸模型及優(yōu)化

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以復(fù)合抗氧化劑(TBHQ與BHT質(zhì)量比1∶1)、檸檬酸、抗壞血酸加量為自變量，以過(guò)氧化值(Y)為響應(yīng)值，采用三因素三水平進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，建立用于分析和預(yù)測(cè)核桃油抗氧化劑的數(shù)學(xué)模型。響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1， 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果

注：核桃油在60℃烘箱加熱120 h后測(cè)定的過(guò)氧化值。

應(yīng)用Design-Expert 8.0.7軟件對(duì)表2試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析，可得到過(guò)氧化值(Y)與各因素之間的二次多項(xiàng)模型：Y=4.14-0.64A-0.32B-0.13C+0.27A2+0.023B2-0.056C2+5.882E-003AB-0.049AC-0.12BC。對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 回歸模型方差分析

由表3可知，對(duì)產(chǎn)品過(guò)氧化值(Y)的影響大小依次為A>B>A2>C>BC>C2>AC>B2>AB，其中A、B、C、A2和BC影響極顯著(P<0.01)，AC和C2影響顯著(P<0.05)，而AB、B2影響不顯著(P>0.05)。該回歸模型P小于0.000 1，表明該方程模型極顯著；模型失擬項(xiàng)不顯著(P=0.138 3>0.05)，即該方程擬合較好；模型相關(guān)系數(shù)R2為0.998 0，大于0.9，說(shuō)明模型高度相關(guān)；信噪比RSN為68.624，大于4，說(shuō)明模型設(shè)計(jì)合理，可用于預(yù)測(cè)。

2.3.2 最適條件及驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)Design-Expert分析得到的優(yōu)化回歸方程求解極小值，結(jié)果表明，當(dāng)復(fù)合抗氧化劑、檸檬酸、抗壞血酸加量分別為0.017%、0.012%、0.010%時(shí)，核桃油在60℃烘箱加熱120 h的過(guò)氧化值為3.40 mmol/kg。為驗(yàn)證方案的有效性，在此條件下進(jìn)行3次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，平均過(guò)氧化值為3.45 mmol/kg，實(shí)際值與預(yù)測(cè)值基本相近，在模型誤差允許范圍內(nèi)，采用響應(yīng)面Box-Behnken優(yōu)化獲得的核桃油抗氧化劑保鮮方案準(zhǔn)確可靠，對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

2.4 核桃油貨架期的預(yù)測(cè)

對(duì)添加最優(yōu)復(fù)合抗氧化劑和增效劑的核桃油進(jìn)行60℃烘箱儲(chǔ)存試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5可知，隨加熱時(shí)間延長(zhǎng)，空白樣品的過(guò)氧化值迅速增加，而添加最優(yōu)組合的抗氧化劑和增效劑的核桃油儲(chǔ)藏期由24～48 h延長(zhǎng)到432 h。根據(jù)阿侖尼烏斯(Arrhenius)公式得出的油脂儲(chǔ)存溫度與其貨架期之間的關(guān)系，Schaal烘箱法試驗(yàn)60℃條件下儲(chǔ)存1 d相當(dāng)于20℃條件下貯藏16 d[9-10]。因此，該核桃油在20℃條件下的理論貨架期為288 d。

圖5 最優(yōu)復(fù)合抗氧化劑和增效劑對(duì)核桃油過(guò)氧化值的影響

3 結(jié) 論

添加抗氧化劑可顯著增強(qiáng)核桃油的穩(wěn)定性，復(fù)合抗氧化劑抗氧化效果明顯優(yōu)于單一抗氧化劑，復(fù)合抗氧化劑0.01%TBHQ+0.01%BHT的抗氧化效果最好；檸檬酸和抗壞血酸對(duì)抗氧化劑均有增效作用，檸檬酸的作用更強(qiáng)；0.017%復(fù)合抗氧化劑(TBHQ與BHT質(zhì)量比1∶1)、0.012%檸檬酸和0.010%抗壞血酸的組合抗氧化效果最好，核桃油在20℃下的理論貨架期為288 d。